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Biomécanique des plantes: des modèles structure-fonctions, pourquoi faire? Thiéry Constant, INRA, UMR Lerfob, Nancy Thierry Fourcaud, CIRAD, UMR AMAP,

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1 Biomécanique des plantes: des modèles structure-fonctions, pourquoi faire? Thiéry Constant, INRA, UMR Lerfob, Nancy Thierry Fourcaud, CIRAD, UMR AMAP, Montpellier Bruno Moulia, INRA, UMR PIAF, Clermont-Ferrand PLANTVIRT mars, ENS Lyon

2 I - La biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques II - Le dispositif de recherche actuel en France III- Plantes virtuelles et biomécanique IV- Les messages à ramener à la maison PLANTVIRT mars, ENS Lyon PLAN DE LEXPOSE

3 Introduction générale à la bioméca: -Fonctions mécaniques soutien réorientation? - Croissance primaire orientation f( phototropisme, gravitropisme, phyllotaxie, etc… - processus liés à la croissance 2 (différentiation, déformation maturation cellulaire, f(inclinaison,) oui mais pas seulement cf. déformation correction de la forme issue c1 conséquences sur la forme et contraintes internes I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques PLANTVIRT mars, ENS Lyon

4 Vent Structure aérienne Forces de trainée + Poids propre Transmission des forces à lensemble racines-sol Bras de levier Ancrage racinaire + Vibration (fréquences; amortissement) Contraintes & déformations PLANTVIRT mars, ENS Lyon I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques Larbre : une structure soumise à des forces extérieures

5 vent Pivotement racinaire gravitropisme Larbre : une structure vivante qui réagit!!! PLANTVIRT mars, ENS Lyon I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques Couple croissance primaire, croissance secondaire et différenciation de bois, et croissance racinaire pour permettre le dimensionnement mécanique, le maintien et le déploiement de larchitecture gravité Co uta nd in Fo urn ier et al.., Dimensionnemen Dimensionnement (dans la gamme écologique de vent) = thigmomorphogenèse Contrôle actif du port Contrôle actif du port (quand dimensionnement pris en défaut): tropismes (Moulia et al. 2006) Les processus biomécaniques : Un grand rôle dans le contrôle de la distribution de la croissance et dans les relations croissance qualité Coutand in Fournier et al. 2005

6 I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques Le bois matériau passif structure (macro-micro) => propriétés mécaniques Les racines : fonction dancrage Interactions racines-sol, architecture Déformation de maturation => tropismes secondaires => précontraintes Le bois matériau actif Le houppier : structure aérienne Répartition de la biomasse Prise au vent Transmission des efforts Amortissement aérodynamique PLANTVIRT mars, ENS Lyon Croissance et différenciation : Structure et matériau=f(t, état mécanique ….), mécano- et gravi- perception

7 PLANTVIRT mars, ENS Lyon QUESTIONS : Caractériser et modéliser les lois de comportement du bois Comprendre les relations entre la structure du bois (micro-macro) et ses propriétés mécaniques ENJEUX : Paramétrage des modèles mécaniques pour analyses à différentes échelles Améliorer la qualité du bois formé dans larbre Le bois matériau passif structure (macro-micro) => propriétés mécaniques I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques

8 PLANTVIRT mars, ENS Lyon QUESTIONS : Comprendre les mécanismes de mécanoperception et de contrôle de la croissance et de sa distribution Variables perçues ? déformation Réponse de croissance et intégration dans larbre en fonction du « climat mécanique » (vent) ENJEUX : Prise en compte des couplages bio-mécaniques entre croissance II, IIre, racinaire, dans les modèles (gain en robustesse) Acclimatation des arbres au vents dans un contexte de changements climatiques ( tempêtes plus fréquentes à même vent constant annuel) Conséquences sur la forme des fûts et la qualité des bois (flexure wood) Croissance et différenciation : Structure et matériau=f(t, état mécanique ….), mécano- et gravi- perception I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques

9 PLANTVIRT mars, ENS Lyon QUESTIONS : Influence de la structure aérienne sur la répartition des forces dans larbre; Impact de la structure aérienne sur les comportement aérodynamique de larbre (fréquences propres, amortissement de structure) ENJEUX : Relations entre sylviculture, QB et volis Mieux appréhender la diversité des formes en relation avec le contexte écologique (acclimatation aux contraintes mécaniques, évolution) Le houppier : structure aérienne Répartition de la biomasse Prise au vent Transmission des efforts Amortissement aérodynamique I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques

10 PLANTVIRT mars, ENS Lyon QUESTIONS : Influence de larchitecture racinaire sur lancrage de larbre; ENJEUX : Etudes sur les risques de chablis Mieux appréhender les processus dadaptation de la croissance racinaire aux contraintes mécaniques (plasticité architecturale) Les racines : fonction dancrage Interactions racines-sol, architecture I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques

11 PLANTVIRT mars, ENS Lyon QUESTIONS : Comprendre les mécanismes de déformation de maturation à différentes échelles Mécanoperception et différentiation cellulaire Comment les contraintes de maturation se mettent en place Relations forme-contraintes de croissance ENJEUX : Intégration des tropismes secondaires (gravi-, hélio-, auto-, etc.) dans des modèles de biomécanique aux échelles axe, arbre, peuplement. Conséquences sur la qualité du bois (bois de réaction, anisotropie de la croissance, précontraintes et fentes dabattage, forme des tiges, etc..) Mieux appréhender la diversité des bois en relation avec le contexte écologique (acclimatation aux contraintes mécaniques, évolution) Déformation de maturation => tropismes secondaires => précontraintes Le bois matériau actif I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques

12 Evolution Plasticité Varaiabilité mécanoperception celluleorganeaxeplantepopulation secondes jours années décennies Différentiation et maturation cellulaire Elongation Anisotropie Différentiel DM Tropismes Arcure Contraintes Vibrations Amortissement Ruine millénaires I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques

13 Faire une liste des questions principales liées aux différentes bulles??? -Relations micro-structure (MFA) propriétés méca du bois); -Comment larbre perçoit les forces ext., mécanoperception et transduction signal (Bruno?) -Relations entre développement du houppier et forme de la tige + propriétés bois (Thiéry?) La quantité de bois de réaction et sa localisation dans la grume sont essentiels pour les questions de qualité darbre sur pied (contraintes fentes à labattage) et des produits (Bois de réaction forte hétérogénéité des retraits dans un produit) Problème sous-jacent, comment maitrîser le développement des contraintes en minimisant les interventions sylvicoles dans un contexte de forêt irrégulière où la compétition est plus complexe à appréhender que dans un système régulier Doù limportance de faire le lien entre loutil de gestion forestière quest léclaircie et la réponse des individus en termes de croissance, (développement du houppier croissance secondaire -> présence de bois de réaction -Conséquences de larchitecture sur la réponse bioméca à léchelle de larbre (stabilité à un instant T) -Stratégies de développement pour objectifs bioméca (archi, allocation, allométrie, etc.) Biomasse aérienne gravitropisme -Interactions bioméca avec autres processus aux échelles individu et population (compétition) -- Traits de vie des espèces, espèces héliophiles, autoportance, cf. mériem woodiversity I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques

14 II – le dispositif de recherche actuel en France MONTPELLIER CLERMONT- FERRAND NANCY BORDEAUX INRA-EFPA LERFoB: 3 chercheurs 1 post doc Ecologie, Sylviculture, Croissance des Arbres et Qualité du bois, Bois de réaction, Gravitropisme Facteurs de risque, stratégies de croissance Echelles: Arbre Mature, Peuplement, communautes INRA EA- EFPA, Univ Clermont II PIAF-MECA: 6 chercheurs, 1 postdoc, 5 doc Bio-Mécanique Intégrative de lacclimatation mécanique: mécano et gravi-perception, thigmomorphogénèse, tropismes, modélisation biomécanique intégrative Echelles: Celulle, tissus, organe, arbre dans son environnement INRA EFPA- CIRAD-CNRS AMAP: 3 chercheurs, 2 postdoc, 4 doc Architecture, acclimatation, évolution, stabilité, modèles SF Echelles: axe, plante, population INRA EFPA- Univ Bdx BIOGECO: 3 Chercheurs Formation du bois, ancrage racinaire Echelles: cellule, tige, population INRA EFPA AGPF: 3 Chercheurs Formation des parois lignifiés, Bois de Tension Peuplier Echelles: Cellule-plante CNRS – Paris Tech (X) LadHyX, : 2 chercheurs, 2 doc Dynamique vibratoires Interactions fluides solide Biomimétique Echelles: plante dans son environnement INRA EA EFPA Ephyse 2 chercheurs, 1 postdoc Intéractions physiques vent-forêt Echelles: Arbre Mature, Peuplement CNRS-Univ Montp II LMGC: 5 chercheurs, 1 doc Contraintes, bois de réaction, rhéologie Echelles: micro-structure, cellule, axe Bioméca INRA Méca – bioméca CNRS Bio INRA avec connections bioméca Coll en cours avérée: ANR Woodiversity, Chène Roseau, thèse coencadrée, publi INRA BV Univ Versailles Equipe PAROIS- IJB : 3 Chercheurs Formation des parois Ires et IIre, At Peuplier Echelles: Cellule- plante

15 III – Plantes virtuelles et biomécanique Intégration de la biomécanique dans des modèles de croissance structure- fonctions: Étude des interactions entre les différents processus (transport eau, assimilation, allocation) Montrer à quels niveaux peut-intervenir la bioméca sur le schéma qui représente les processus et objets de base d'un modèle FSPM (voir diapo suivante). Je pense notamment qu'il faudrait parler de "stratégie d'investissement de la matière sèche" (modification des puits, i.e. croissance 1 et 2, branchaison, allométrie) + réactions bioméca active (tropismes liés à la différenciation et aux déformations de maturation des bois de réaction) pour des objectifs spécifiques à la bioméca (stabilité) ou autres (occupation de l'espace p/r à d'autres critères comme la lumière). Parler aussi de l'échelle temporelle avec les conséquences de ces stratégies sur la croissance et le développement à long terme.

16 Numérisation de structures réelles Codage sous un format MTG AMAP (Godin et al., 1999) Fichier de commandes généré pour lanalyse MEF Analyse des résultats et visualisation (daprès Fourcaud et al. 2003, Proc. PMA03) Maillage de la structure en éléments de poutres Addition de la matrice de sol Calcul MEF Visualisation et analyse architecturale III – Plantes virtuelles et biomécanique Quelques exemples dapplications

17 III – Plantes virtuelles et biomécanique Quelques exemples dapplications Ancrage racinaire PLANTVIRT mars, ENS Lyon Dupuy et al., 2005, 2007 Dynamique de larbre Sellier et al., 2006, 2008 Couplage croissance-biomécanique Fourcaud et al., 2003 e) CW a) b) tree T9 Gravimorphisme (première tentative de rétroaction méca-croissance) Fourcaud et al., 1998

18 III – Plantes virtuelles et biomécanique Couplage biomécanique-croissance OBJECTIF : Nécessité dintégration à léchelle de larbre pour comprendre les interactions entre biomécanique et développement Le bois matériau passif structure (macro-micro) => propriétés mécaniques Les racines : fonction dancrage Interactions racines-sol, architecture Déformation de maturation => tropismes secondaires => précontraintes Le bois matériau actif Le houppier : structure aérienne Répartition de la biomasse Prise au vent Transmission des efforts Amortissement aérodynamique PLANTVIRT mars, ENS Lyon

19 III – Plantes virtuelles et biomécanique 3D architecture phenotype leaves fruits roots C reserves Sinks Air sources Soil sources SOIL water, nutrients ATMOSPHERE light, temperature SPECIES genotype C N, P, K wood buds Respiratory loss Loss of senescing tissues Other (exudation, mycorrhizas, isoprene emission etc.) INPUTS OUTPUTS INVESTMENT Morphotype photosynthesis absorption Root morphology Root depth Canopy structure Leaf display Meristematic activity Ontogeny Acclimation Timing/Duration Genetic control of phenology during ontogeny Functional duration of organs Uptake kinetics From Fourcaud et al., 2008, Annals of Botany Couplage biomécanique-croissance PLANTVIRT mars, ENS Lyon

20 III – Plantes virtuelles et biomécanique Couplage biomécanique-croissance 3D architecture phenotype leaves fruits roots C reserves Sinks Air sources Root-soil interactions Wind, gravity C wood buds INPUTS INVESTMENT Meristematic activity Ontogeny Anchorage Forces Timing/Duration Biomechanical responses Mechanical state ( strains, stresses, sway frequencies, damping, etc.) Genetic control of phenology during ontogeny Functional duration of organs Uptake kinetics RQ: Liens entre mécanoperception et croissance – allocation des assimilats à plusieurs échelles : via les forces de puits dans un schéma « classique » via les forces de puits dans un schéma « classique » via les mécanismes biophysiques et moléculaires qui déterminent forces de puits et transport via les mécanismes biophysiques et moléculaires qui déterminent forces de puits et transport PLANTVIRT mars, ENS Lyon

21 IV – Les messages à ramener à la maison Nécessité dintégrer la biomécanique dans des modèles multifonctions (interaction avec dautres processus) Nécessité de développer des modèle Structure-Fonctions pour la biomécanique (modèles à géométrie explicite de mécanique des structures couplés à des modèles biologiques) Existence dun réseau français de biomécanique structuré, dynamique et en extension Importance de la biomécanique dans les processus de croissance (relations forme de croissance-biomécanique; durée de vie, i.e. volis et chablis) PLANTVIRT mars, ENS Lyon Nécessité de développer des modèles de structure simplifiés pour application à plus grande échelle (relations formes-hétérogénéité bois-précontraintes dans le tronc, QB)

22 V – les attentes et perspectives en terme de plateformes Cette partie risque dêtre un peu bateau! Ce sera déjà largement discuté dans la partie précedente (besoin dintégration de la bioméca comme autres processus dans un (des) modèles FSPM. On peut donner deux stratégies différentes: - Intégration dans un modèles de croissance (par exple modèle Greenlab dans Digiplante), Avant de parler dintégration, il est possible denvisager un couplage dans le même esprit que ce que tu as fait avec Philippe Ancelin dans Capsis, Car En fonction des questions posées on peut envisager que les modèles structures fonctions ne soient pas toujours les plus efficaces. - intégration dans une plateforme gérant les interactions entre des modules indépendants (ALEA) -Loption deux permet de travailler à différents niveaux déchelles


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